CN220419152U - 光谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供的一种光谱仪，涉及光谱学研究用仪器技术领域，具体包括：机壳、光源、分光系统和采集装置；机壳具有盛放空间，盛放空间中可拆卸的设置有用于盛放待测液体的存储件；光源设置在机壳内壁上并位于存储件的一侧，光源的发光端朝向存储件；分光系统设置在存储件的背离光源的一侧；采集装置设置于盛放空间中，并位于分光系统的背离光源的一侧；采集装置设有多个，多个采集装置沿垂直于光源的光照方向间隔设置，且各个采集装置用于测量不同波段的光谱。本实用新型结构简单，体积小，易于携带，测量光谱波长范围可达到380nm－1050nm，测量波长的范围宽，能够测量到可见光范围外的波段。

Description

光谱仪

技术领域

本实用新型涉及光谱学研究用仪器技术领域，具体而言，涉及一种光谱仪。

背景技术

光谱仪是进行光谱学研究和物质光谱分析的仪器，在食品检测、环境监测、生化分析、医药卫生和水文探测等方面具有广泛应用。

传统小型的光栅光谱仪的工作原理基于光栅的衍射作用，当入射的多色光线通过光栅时，不同波长的光线会以不同的角度衍射，形成一系列衍射光线。由于衍射光线强度随衍射级次的增加而递减，在光栅光谱仪中通常使用一级衍射条纹作为光谱分析。

但是使用一级衍射条纹存在自由光谱范围的限制，即由光栅方程d(sinα±sinβ)＝mλ可知，基波波长成整数倍的待测波长会与次级衍射的基波有相同的衍射角，出现衍射条纹重合的情况导致光谱的混叠，使不同波长的光线的信号不能被准确地区分和测量，同时可见光波段的光谱信息比较常用，因此，现有技术中的方案或者产品将测量光谱范围限制在400nm－780nm可见光范围，测量波长范围窄，只能用于测量可见光范围的波段。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光谱仪，以缓解现有技术中小型光谱仪测量波长范围窄的技术问题。

本实用新型提供了一种光谱仪，包括：机壳、光源、分光系统和采集装置；所述机壳具有盛放空间，所述盛放空间中可拆卸的设置有用于盛放待测液体的存储件；所述光源设置在所述机壳内壁上并位于所述存储件的一侧，所述光源的发光端朝向所述存储件；所述分光系统设置在所述存储件的背离所述光源的一侧；所述采集装置设置于所述盛放空间中，并位于所述分光系统的背离所述光源的一侧；所述采集装置设有多个，多个所述采集装置沿垂直于所述光源的光照方向间隔设置，且各个采集装置用于测量不同波段的光谱。

进一步地，所述采集装置包括滤光片和采集件；所述滤光片至少为两种，并分别设置在不同的所述采集件上。

进一步地，所述采集件为黑白摄像头；所述黑白摄像头的镜头朝向分光系统的出光处；所述滤光片设置在所述黑白摄像头的镜头上。

进一步地，所述滤光片和所述黑白摄像头均有两个；两个所述滤光片分别为可见光通过滤光片和近红外通过滤光片，且一一对应地设置于两个所述黑白摄像头。

进一步地，所述分光系统包括狭缝、准直透镜、光栅和成像透镜；所述狭缝、所述准直透镜、所述光栅透镜和所述成像透镜在所述存储件和所述采集装置之间，并沿所述光源的光照方向依次间隔设置。

进一步地，所述狭缝的两侧设有两个间隔设置的挡板；两个所述挡板之间的间隙即为所述狭缝，所述挡板与所述机壳一体化结构。

进一步地，所述存储件由透明材质制成。

进一步地，所述盛放空间内设置有固定槽；所述固定槽的槽口形状与所述存储件的底面形状相同，所述存储件插设在所述固定槽中。

进一步地，所述存储件为透明方形容器；所述固定槽为方形凹槽。

进一步地，所述光源为同时包含可见光和近红外光波段的连续谱光源。

有益效果：

本实用新型提供的光谱仪包括：机壳、光源、分光系统和采集装置；机壳具有盛放空间，盛放空间中可拆卸的设置有用于盛放待测液体的存储件；光源设置在机壳内壁上并位于存储件的一侧，光源的发光端朝向存储件；分光系统设置在存储件的背离光源的一侧；采集装置设置于盛放空间中，并位于分光系统的背离光源的一侧；采集装置设有多个，多个采集装置沿垂直于光源的光照方向间隔设置，且各个采集装置用于测量不同波段的光谱。

具体地，本实用新型结构简单，体积小，易于携带，在使用时，由存储件存放待检测的液体，光源发射光线照射存放有待检测液体的存储件，在存储件内为液体时，光线透过液体后经分光进行先分光再聚焦，从而在间隔设置的多个采集装置上形成光谱带，由于多个采集装置所测量的光谱的波段不同，使得多个采集装置能够获得不同波段的光谱图，能够在光谱分辨不变的情况下同时测量多个波段，测量光谱波长范围可达到380nm－1050nm，测量波长的范围宽，能够测量到可见光范围外的波段。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的光谱仪的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的光谱仪的测量所得图谱的融合过程示意图；

图3为本实用新型实施例提供的光谱仪的光源所发射光线的照射路线示意图；

图4为本实用新型实施例提供的光谱仪的运行流程图。

图标：

100－机壳；110－固定槽；

200－光源；

300－分光系统；

310－狭缝；311－挡板；

320－准直透镜；330－光栅；340－成像透镜；

400－采集装置；

410－第一摄像头；420－第二摄像头。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

下面通过具体的实施例并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1至图4所示，本实施例提供的光谱仪包括：机壳100、光源200、分光系统300和采集装置400；机壳100具有盛放空间，盛放空间中可拆卸的设置有用于盛放待测液体的存储件；光源200设置在机壳100内壁上并位于存储件的一侧，光源200的发光端朝向存储件；分光系统300设置在存储件的背离光源200的一侧；采集装置400设置于盛放空间中，并位于分光系统300的背离光源200的一侧；采集装置400设有多个，多个采集装置400沿垂直于光源200的光照方向间隔设置，且各个采集装置400用于测量不同波段的光谱。

本实施例所提供的光谱仪在使用时，存储件内存放待检测的液体，光源200发射光线照射存放有待检测液体的存储件，光线透过待检测液体后经分光进行先分光再聚焦，从而在间隔设置的多个采集装置400上形成光谱带，由于多个采集装置400所测量的光谱的波段不同，使得多个采集装置400能够获得不同波段的光谱图，能够在光谱分辨不变的情况下同时测量多个波段，测量光谱波长范围可达到380nm－1050nm，测量波长的范围宽，能够测量到可见光范围外的波段。

并且，本实施例所提供的光谱仪中，由于光源200、分光系统300、和采集装置400的体积较小，无需过大的盛放空间，均能够设置在机壳100中，结构简单，易于携带，且各部分的光学元件造价较低，能够满足消费级的成本和便携要求。

在本实施例中，采集装置400包括滤光片和采集件；滤光片至少为两种，并分别设置在不同的采集件上。

滤光片是用来选取所需辐射波段的光学器件，滤光片都会吸收某些波长，本实施例中通过设置滤光片对透过存储件的光线进行过滤，从而使得需要检测的波段的光线透过滤光片照射到采集件上，采集件能够对需采集的波段的光线进行采集并形成光谱，滤光片在采集装置400内起过滤效果，能够消除光谱重叠的影响。

在本实施例中，采集件为黑白摄像头；黑白摄像头的镜头朝向分光系统300的出光处；滤光片设置在黑白摄像头的镜头上。

具体地，本实施例中的黑白摄像头为黑白摄像头模组加驱动电路的模式，类似手机摄像头中的模组，以此减小体积。黑白摄像头模组和驱动电路电性相连，驱动电路可以同时驱动多个摄像头模组，通过驱动电路传输图像信息，且黑白摄像头与黑白摄像机对于光线不需要进行滤光，进光量较彩色相机更多，光学传感器灵敏度更高，更适合光谱谱线强度检测。

并且，本实施例中，各光学部件均设于机壳100内，在机壳100内操作能够形成“暗室”，消除外界杂散光对光谱检测的影响。

在本实施例中，滤光片和黑白摄像头均有两个；两个滤光片分别为可见光通过滤光片和近红外通过滤光片，且一一对应地设置于两个黑白摄像头。

可见光通过滤光片能够将除可将光外的光线进行过滤，仅允许可见光通过该滤光片，可见光滤光片与黑白摄像头进行组合，可见光滤光片设置在黑白摄像头的镜头外，形成一个仅能对可见光进行拍摄的第一摄像头410，能够对可见光波段的光谱进行记录。同理，近红外通过滤光片能够允许近红外光线通过，与黑白摄像头进行组合后形成一个仅能对近红外波段的光谱进行记录的第二摄像头420，用以对近红外波段的光谱进行记录。第一摄像头410和第二摄像头420分别与两个滤光片一一对应进行组合，经试验，组合后的两个摄像头能够测量波长范围约为380nm－1050nm的光谱，对比与现有的小型光谱仪，本实施例所提供的光谱仪的测量范围更广。

具体地，参阅图1，本实施例中，第一摄像头410和第二摄像头420以分光系统300的中心与光源200的连线为轴线，设置在此轴线的两侧，使第一摄像头410和第二摄像头420位于分光系统300所射出的两个光谱图的照射点，两个光谱图所包含的信息相同，第一摄像头410和第二摄像头420能够分别对分光系统300处理得到的光谱图进行准确的捕捉和记录。

在本实施例中，分光系统300包括狭缝310、准直透镜320、光栅330和成像透镜340；狭缝310、准直透镜320、光栅330透镜和成像透镜340在存储件和采集装置400之间，并沿光源200的光照方向依次间隔设置。

具体地，本实施例中的狭缝310与光源的位置相对，狭缝310、准直透镜320、光栅330和成像透镜340的轴线与光源200均位于同一直线上，光源200所射出的光线经狭缝310遮挡后，有部分光线透过狭缝射在准直透镜320上，准直透镜320将这一部分光线转化成平行光后照射在至光栅330，光栅330将光线发散后照射至成像透镜340进行折射使光谱能够准确的落在第一摄像头410或第二摄像头420上，从而完成光谱的形成。

其中，在使用本实用新型所提供的光谱仪采集图像时，需调整探测器位置。在采集近红外光谱时，调整探测器的位置以使近红外光谱落在近红外探测器图像的中心位置。同理，在采集可见光的光谱时，调节探测器位置以使可见光光谱落在可见光探测器图像的中心位置。由于不同波长的折射角度不同，两个采集装置400的位置非对称设置。

狭缝310是指光谱仪的主要部件之一，是一条宽度可调、狭窄细长的缝孔，用以对光源200所射出的光线进行遮挡，光源200所发射的光有部分光线透过狭缝310射出。

准直透镜320是指能将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的设置，光线经狭缝310后发散到准直透镜320的一面上，经准直透镜320作用后，在准直透镜320的另一面转换为平行的光线射出。

光栅330也称衍射光栅330，是利用多缝衍射原理使光发生色散(分解为光谱)的光学元件。它是一块刻有大量平行等宽、等距刻线的平面玻璃或金属片。光栅330的刻线数量很大，一般每毫米几十至几千条。单色平行光通过光栅330每个缝的衍射和各缝间的干涉，形成暗条纹很宽、明条纹很细的图样，这些锐细而明亮的条纹称作谱线。谱线的位置随波长而异，当复色光通过光栅330后，不同波长的谱线在不同的位置出现而形成光谱，经准直透镜320作用后所形成的平行光射入光栅330上，由光栅330将平行光发散成光谱后射出。

成像透镜340为凸透镜，光线在经光栅330发散后形成光谱，所呈现的总体呈一个左右对称的“像”，“像”的中间部位是不包含任何信息的0级，0级的两侧有对称、相同的一级光谱，两个一级光谱的外侧为二级光谱，一级光谱和二级光谱中所包含信息相同，但一级光谱的光强更为强，光谱线成像更清晰，便于进行几率和捕捉，且采集一级光谱能获得更高的信噪比。成像透镜340能够聚焦成像，使两个一级光谱的像能够分别投射到两个黑白相机中，使两个黑白相机能够更准确、全面的捕捉到光谱以完成记录。

此处需要说明的是，本实施例中，所采用的光栅330为狭缝310光栅330，即线型光栅330，是最早较为成熟的光栅330，其成像原理为针孔成像的原理，容易制作，技术难度小。

在本实施例中，狭缝310的两侧设有两个间隔设置的挡板411；两个挡板411之间的间隙即为狭缝310，挡板411与机壳100一体化结构。

具体地，本实施例中的两个挡板411与机壳100为一体化结构，两个挡板411之间所存的空隙即为狭缝310，狭缝310的一侧设有存储件，狭缝310的另一侧沿光照方向依次设置准直透镜320、光栅330和成像透镜340。

在本实施例中，存储件由透明材质制成。

待检测液体存放存储件中，透明材质的存储件能够便于光源200所射出的光线透过存储件照射待检测液体，以使光线能够穿过待检测液体后进入分光系统300。

在本实施例中，盛放空间内设置有固定槽110；固定槽110的槽口形状与存储件的底面形状相同，存储件插设在固定槽110中。

具体地，本实施例中的存储件的底面形状与固定槽110的槽口形状相同，存储件插设在固定槽110中以实现存储件的安装，在测量后需更换待检测液体时，可通过插拔的方式将存储件拆卸，以便于更换检测物。

在本实施例中，存储件为透明方形容器；固定槽110为方形凹槽。

其中，本实施例中的透明方形容器为常规标准件，易于采购，且方形凹槽便于加工，进而降低本实施例所提供的光谱仪的生产难度。

作为一种可实施的方式，存储件可通过卡接的方式设置在盛放空间中，具体地，可在存储件的表面上设置卡槽，并在盛放空间中设置与该卡槽相匹配的卡块，在进行安装时，存储件通过卡接的方式设置在盛放空间内。

在本实施例中，光源200为同时包含可见光和近红外光波段的连续谱光源200。

卤素灯、白炽灯和可见光和近红外光灯珠组成的LED阵列均为同时包含可见光和近红外光波段的连续谱光源200，本实施例中，光源200为卤素灯。在使用时，卤素灯能够同时发射可见光和近红外光，避免在测量时，光源200发射的光线的波段不全，影响测量结果的准确性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光谱仪，其特征在于，包括：机壳(100)、光源(200)、分光系统(300)和采集装置(400)；

所述机壳(100)具有盛放空间，所述盛放空间中可拆卸的设置有用于盛放待测液体的存储件；

所述光源(200)设置在所述机壳(100)内壁上并位于所述存储件的一侧，所述光源(200)的发光端朝向所述存储件；

所述分光系统(300)设置在所述存储件的背离所述光源(200)的一侧；

所述采集装置(400)设置于所述盛放空间中，并位于所述分光系统(300)的背离所述光源(200)的一侧；

所述采集装置(400)设有多个，多个所述采集装置(400)沿垂直于所述光源(200)的光照方向间隔设置，且各个采集装置(400)用于测量不同波段的光谱。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述采集装置(400)包括滤光片和采集件；

所述滤光片至少为两种，并分别设置在不同的所述采集件上。

3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于，所述采集件为黑白摄像头；

所述黑白摄像头的镜头朝向分光系统(300)的出光处；

所述滤光片设置在所述黑白摄像头的镜头上。

4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述滤光片和所述黑白摄像头均有两个；

两个所述滤光片分别为可见光通过滤光片和近红外通过滤光片，且一一对应地设置于两个所述黑白摄像头。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述分光系统(300)包括狭缝(310)、准直透镜(320)、光栅(330)和成像透镜(340)；

所述狭缝(310)、所述准直透镜(320)、所述光栅(330)透镜和所述成像透镜(340)在所述存储件和所述采集装置(400)之间，并沿所述光源(200)的光照方向依次间隔设置。

6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于，所述狭缝(310)的两侧设有两个间隔设置的挡板；

两个所述挡板之间的间隙即为所述狭缝(310)，所述挡板与所述机壳(100)一体化结构。

7.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述存储件由透明材质制成。

8.根据权利要求7所述的光谱仪，其特征在于，所述盛放空间内设置有固定槽(110)；

所述固定槽(110)的槽口形状与所述存储件的底面形状相同，所述存储件插设在所述固定槽(110)中。

9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，所述存储件为透明方形容器；

所述固定槽(110)为方形凹槽。

10.根据权利要求1－9中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述光源(200)为同时包含可见光和近红外光波段的连续谱光源。